1、- -灭火机器人的单片机控制摘要随着社会与国家的发展，在经济迅速增长的同时，各种危险场所不可避免的火灾频繁出现，给社会安全造成了很多隐患，于是现代火灾及时补救已成为迫在眉睫需要解决的问题，救火早一刻就少一分损失，消防救援人员固然速度已经很快，但也需要一段不小的时间，而且进入救火现场还有生命危险的可能，于是消防机器人的理念诞生了。本设计主要就是针对灭火机器人的单片机控制与制作进行研究。通过对灭火机器人国内外研究现状的分析，进行了灭火机器人包括硬件方案和软件方案的整体方案设计，具体就灭火机器人底盘、驱动电机、传感器和微控制器的选择进行了分析比较；单片机80C51的I/O口控制灭火机器人转向，在单片
2、机80C51监控下实现机器人精确控制，加以电源电路、电机驱动、光电传感电路、火焰检测电路、灭火风扇以及其它电路构成。电源电路提供系统所需的工作电源，专用电机驱动芯片驱动电机控制灭火机器人的前进后退以及转向，光电对射式电路模块完成寻迹和避障，红外传感器检测火焰，灭火风扇进行灭火。本系统硬件配置合理，控制方案优化，实现了灭火机器人在不同的外部坏境下的避障和灭火的准确控制。本设计制作的灭火机器人具有简易灭火功能，达到了实现现场灭火的目的，设计较好地完成了课题目标。关键词：灭火机器人；传感器；直流电机；寻迹- I -Single-chip Microcomputer Control of Fire-f
3、ighting RobotAbstractWith the development of society and the state, in the rapid economic growth, a variety of dangerous places inevitable frequent fires to cause a lot of social safety hazards, so the modern fire in a timely manner has become an urgent need to remedy the problem, the fire early mom
4、ent on curbing losses, fire rescue personnel certainly already fast, but it does take some small time, and enter the fire scene there may be life-threatening, so the fire-fighting robot concept was born.This design is mainly devoted to fighting robot MCU control and production was studied. By fighti
5、ng robot research situation analysis, carried out fighting robot solutions including hardware and software solutions for the overall program design, specifically for fire-fighting robot chassis, drive motors, sensors and microcontrollers choices are analyzed and compared; 80C51 microcontrollers I/O
6、port control car steering, under the supervision of the 80C51 microcontroller to achieve precise control of the robot, to the power supply circuit, motor drive, optical sensing circuit, the flame detection circuit, fire fans, and other circuits. Power supply circuit provides operating power required
7、 by the system, dedicated motor driver chip drive motor to control the car forward and back as well as steering, photoelectric beam tracing circuit module to complete and obstacle avoidance, infrared sensor detects flame, fire fan the fire. The system hardware configuration and reasonable control sc
8、heme optimized to achieve a car in bad environment under different external obstacle avoidance and accurate control of fire.The design has a simple car fire extinguishing function, to achieve the purpose of fighting scene, design well done subject objectives.Keywords: sensor; fire-fighting robot; DC
9、 motor; tracing- II -目录摘要 .IAbstractII第 1 章 绪论 11.1 课题背景 .11.2 课题研究的意义 .11.3 国内外技术的发展现状 .21.4 研究内容 .4第 2 章 系统设计及方案比较 52.1 整体方案设计 .52.2 硬件方案设计 .52.2.1 小车底盘的选择 52.2.2 电机选择 82.2.3 传感器选择 92.2.4 MCU 的选择 122.2.5 软件总体设计方案 132.3 本章小结 .14第 3 章 主要单元电路设计实现 153.1 电动机 PWM 驱动电路 153.2 障碍物检测模块电路 .163.3 火源探测模块电路 .17
10、3.4 寻迹模块电路 .173.5 风扇灭火原理及实现 .183.6 灭火机器人驱动电机的选择 .203.7 灭火机器人的组装 .213.7.1 万向轮安装 213.7.2 万向轮部分与小车底盘下板的安装 223.7.3 电机支架与下底盘组装 223.8 电机安装 .233.9 本章小结 .24第 4 章 软件的实现 254.1 软件开发平台介绍 .254.2 主程序流程图 .264.3 寻迹程序流程图 .264.4 灭火程序流程图 .28- III -4.5 本章小结 .28第 5 章 系统功能调试 295.1 测试仪器及设备 .295.2 功能测试 .295.2.1 驱动电路部分 295.
11、2.2 寻迹部分 295.2.3 火源检测部分 305.2.4 灭火效果部分 305.3 调试 总结 .305.4 本章小结 .31结论 32致谢 33参考文献 34附录 A 36附录 B 56- 0 -第 1 章 绪论1.1 课题背景首先我们了解一下机器人产生的背景，机器人技术的发展，它应该说是一个科学技术发展共同的一个综合性的结果，也同时，为社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术，它的发展归功于第二次世界大战，各国加强了经济的投入，就加强了本国的经济的发展 1。另一方面机器人也是生产力发展的需求的必然结果，也是人类自身发展的必然结果，那么人类的发展随着人们这种社会发展的情况，人们越来
12、越不断探讨自然过程中，在改造自然过程中，认识自然过程中，实现人们对不可达世界的认识和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。那么什么是机器人呢？人们一般的理解来看，机器人是具有一些类似人的功能的机械电子装置，或者叫自动化装置，它仍然是个机器，它有三个特点，一个是有类人的功能，比如说作业功能，感知功能，行走功能，还能完成各种动作，它还有一个特点是根据人的编程能自动的工作，这里一个显著的特点，就是它可以编程，改变它的工作、动作、工作的对象，和工作的一些要求，它是人造的机器或机械电子装置 2。但从完整的更为深远的机器人定义来看，应该更强调机器人智能，所以人们又提出来机器人的定义是能够感知环境
13、，能够有学习、情感和对外界一种逻辑判断思维的这种机器。那么这给机器人提出来更高层次的要求，展望 21 世纪，机器人将是一个与 20 世纪计算机的普及一样，会深入地应用到各个领域，在 21 世纪的前 20 年是机器人从制造业走向非制造业的发展一个重要时期，也是智能机器人发展的一个关键时期。1.2 课题研究的意义刚才我们用了短暂的时间，讲了机器人的发展以及我们对机器人的看法，进行了简单地介绍，下面我们来介绍一下灭火机器人的基本情况。近几十年中，大量的高层、地下建筑与大型的石化企业不断涌现。由于这些建筑的特殊性，发生火灾时，不能快速高效的灭火。为了解决这一问题，尽快救助火灾中的受害者，最大限度的保证
14、消防人员的安全，消防机器人研究被提到了议事日程。而机器人技术的发展也为这一要求的实现提供了技术上的保证，使得消防机器人应运而生。- 1 -从二十世纪八十年代开始，世界许多国家都进行了消防机器人的研究。美国和苏联最早进行消防机器人的研究，而后日本、英国、法国等国家都纷纷开展了消防机器人的研究，目前已有多种不同类型的消防机器人用于各种火灾场合。基于人工智能的不断发展，各项高新技术的不断成熟，在可预见的将来，消防机器人在功能上会更具多样特点，在较多危险区域可以完全代替消防员，避免消防员生命伤亡1.3 国内外技术的发展现状进入二十一世纪后，机器人技术的不断发展使得机器人的应用领域不断扩展，从以往多应用
15、于工业领域而渐渐融入人们的生活。消防机器人作为消防部队中的新兴力量，加入了抢险救灾的行列。从 1986 年日本东京消防厅首次在灭火中采用了“彩虹 5 号” 机器人后，消防机器人就逐渐在灭火救灾领域得到广泛的应用，消防机器人技术也得到快速的发展。 国际上消防机器人的研制主要可分为三代，第一代是程序控制消防机器人，第二代是具有感觉功能的消防机器人，第三代是智能化消防机器人。目前发达国家正在加快开发具有不同功能的实用型的第二代消防机器人和第三代低级智能化消防机器人，着手研究第三代高级智能机器人 4。一些工业发达国家把研究开发消防机器人列入国家技术发展规划，将它作为经济发展的一个重要保证手段。国际上日
16、本和美国是消防机器人技术先进的国家，日本投入应用的消防机器人最多。80 年代，日本研制了不少于 5 种型号的自动行驶灭火机器人，分别配备于大贩、东京、高石、太田、蒲田等消防部门，这类机器人以内燃机或电动机作为动力，配置驱动轮或履带式行驶机构，能爬坡、越障碍；装有较大喷射流量的消防枪炮。能作俯仰和左右回转；装有气体检测仪器和电视监视设备；通过电缆或无线控制，控制距离最大为100150m。另一类机器人为侦察、抢险机器人，除装有气体检测仪器和电视监视器设备外，还装有机械手，能通过遥控处理危险物品 3。日本东京消防厅研制的用于掌握火灾现场情况的侦察机器人装有红外电视摄像机、温度传感器、浓烟中摄像装置、
17、烟气浓度分析装置、温度传感器、收音和扩音装置等。具有爬楼梯和打开房门等功能，机器人长2.3m，宽 0.75m，能够上下楼梯（倾斜度不超过 42） ，在楼梯台阶上能自由转向；具体侦察内容包括火灾内部情况、是否有人、着火点位置、周围温度、烟气浓度和发出的各种声响等。美国 Automatic，Inc.公司与 Carnegie Mellon University 联合研制的侦察机器人 Pandora 是根据城市地形所设计的侦察机器人，该机器人采用履带车轮驱动平台，可以越过大的障碍物、沟、台阶和路阶等；其通讯方式为无线通讯，通过射频传递视频和音频信号的反馈。Pandora 建立在一个中枢环- 2 -境密
18、封的外壳上，外部执行系统驱动独立联接履带车轮模块，顶部具有碳纤维外壳保护。系统可以上下驱动以及自复位，可替换部件包括了轮子、履带或脚等，以适应不同的复杂地形。机器人装备的传感器为微型摄像机和立体声系统 4。 图 1-1 我国研制的第一代灭火机器人图 1-2 工作中的灭火机器人二十世纪九十年代，我国在消防机器人领域也获得了可喜的成果，由国家科学技术委员会正式立项的国家 863 高科技计划研究发展项目“消防机器人” 研究课题，在公安部上海消防科学研究所通过专家组验收 4。这一历时三年的研制项目的顺利完成，标志着我国第一代消防机器人正式诞生。该机器人本体由行走部分、遥控消防炮、防爆系统、图像传输系统
19、、探测系统和冷却自卫系统等构成，其探测系统根据消防机器人正压防爆控制、安全自卫、化学检验、火情侦察的要求，共设计使用了 13 路外部和 3- 3 -路内部传感器，分别用于探测火灾现场的可燃气体浓度、有毒有害气体种类及浓度、机器人前后及侧向辐射热、机器人内外部的温度等参数，其信号传输是通过电缆的方式进行。 我国消防机器人技术的发展不但是对消防部队抢险救灾能力的提高，起到减少国家财产损失和灭火救援人员伤亡的作用，同时也对我国机器人技术、通信控制技术、计算机技术等多学科领域技术的发展起到积极的作用和深远的影响。1.4 研究内容本设计主要就是针对消防机器人的制作与研究，底盘采用结构简单，编程控制方便的
20、两轮驱动，同时配合万向轮，驱动轮由电机驱动。灭火步骤主要依靠供电方便可调节高度、方向的风扇来实现。所做工作和确定的成果如下：1，查阅相关资料，了解灭火机器人的主要结构和运动原理。2，学习并掌握 VC+或者 VB 软件的结构、编程方式、与单片机的通讯方式等有关知识，了解和掌握灭火机器人的单片机控制器的结构和通讯原理，完成方案设计。3，完成灭火机器人的设计及加工制作，并分析其运动方式，进行运动规划。4、开发可视化窗口程序，实现灭火机器人的程序控制。5、对程序进行调试和实验。- 4 -第 2 章 系统设计及方案比较2.1 整体方案设计课题要求设计一个简易灭火机器人模型，能到指定区域进行灭火工作（以蜡
21、烛模拟火源，放置在小车行走的场地中） 。小车必须通过内部设备采集现场环境情况进行分析并做出相应的动作，以达到小车智能灭火的目的。根据题目要求，本系统主要由控制器模块、电源模块、直流电机及其驱动模块、避障传感器模块、循迹传感器模块、火焰传感器、灭火系统及其驱动模块等模块构成，本系统的方框图如图 2-1 所示。图 2-1 系统方框图为较好的实现各模块的功能，我分别设计了几种方案并分别进行了论证。2.2 硬件方案设计2.2.1 小车底盘的选择2.2.1.1 月球车式月球车是一种能够在月球表面行驶并完成月球探测、考察、收集和分析样品等复杂任务的专用车辆，由于其每一个轮子各有一个电机驱动，可向前、向后、
22、转弯和爬坡，稳定性强，如今已经应用于生活中各个方面。如图 2-2 为月球车式底盘的模型。- 5 -图 2-2 月球车式底盘实物及示意图优点：月球车式底盘适合于崎岖不平的路面和复杂的地形的行走和作业。缺点：造价较高，结构复杂，多个轮子的编程控制复杂。2.2.1.2 履带式履带是由主动轮驱动、围绕着主动轮、负重轮、诱导轮和托带轮的柔性链环。履带由履带板和履带销等组成。履带销将各履带板连接起来构成履带链环。履带板的两端有孔，与主动轮啮合，中部有诱导齿，用来规正履带，并防止坦克转向或侧倾行驶时履带脱落，在与地面接触的一面有加强防滑筋（简称花纹） ，以提高履带板的坚固性和履带与地面的附着力。如图 2-3
23、，为履带式底盘的模型。- 6 -图 2-3 履带式底盘实物图优点：越障碍能力强，行进稳定。缺点：行进速度慢，行走需要较大的驱动力。2.2.1.3 两轮驱动式因为其简单的结构和廉价的造价被广泛应用于小型模型车辆的比赛中。如图 2-4、2-5，为两轮驱动式底盘示意及实物图。图 2-4 两轮驱动式底盘示意图- 7 -图 2-5 两轮驱动式底盘实物图底盘采用两轮驱动，驱动轮由电机驱动，适当添加 1 到 2 个轮子或 1个万向轮作为从动轮。优点：两轮驱动结构简单十分简单，需要控制的只有两个驱动轮，编程控制的时候十分方便。缺点：稳定能力不强，路上有障碍时或高速行进时转弯容易倾倒。2.2.2 电机选择本系统
24、为智能电动车，对于电动车来说，其驱动电机的选择就显得十分重要。下面我们对步进电机、直流减速电机、舵机这几种车类模型中常用的几种常见电机进行了分析。1、步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的 9。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机由于其转过
25、的角度可以精确的定位，可以实现小车前进路程和位置的精确定位。虽然采用步进电机有诸多优点，步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其转速较低，不适用于小车等有一定速度要求的系统。2、舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。舵机是一种俗称，其实是一种伺服马达。舵机最早应用在航模与车模运动中，它的控制信号是一个脉宽调制信号，所以很方便与数字系统进行接口 5。只要能产生标准的控制信号的数字设备都可以用来控制舵机。比如：PLC、单片机等。一般来讲，舵机主要由以下几个部分组成：舵盘、齿轮减速组、位置反馈电位计、直流电机、控制电路板等
26、。控制电路板接收来自信号线的控- 8 -制信号（脉宽调制信号） ，控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘 6。电机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵机转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据所在位置决定电机的转动方向和速度，达到目标停止。所以采用舵机驱动，可以利用舵机本身的闭环特性，而不需要另外的设计反馈电路，而且舵机非常适合接收单片机的控制信号。此类电机结构紧凑，便于安装，输出力矩大，稳定性好，控制简单，所以舵机已经广泛应用于机器人领域。3、直流电机是机器人平台用标准电机，它有着很宽的功率调节范围、适应性强、具有很高
27、的性价比。直流电机适用范围很广，很多轮式机器人都采用直流电机，如金工基地的能力风暴机器人。到目前为止，直流电机仍是输出功率最强劲的电机，数十年的研究使得直流电机变得更快、更强、更高效，优质的直流电机效率可过 90%。直流电机可以运行在800020000r/min 之间，甚至更高 7。因此需要安装齿轮减速器，来降低电机转速，同时也增大了电机转矩，在机器人上可以直接使用减速电机。微 型 减 速 电 机 系 列 产 品 是 由 JB 系 列 微 型 齿 轮 减 速 器 、 电 子 调 速 器 、可 正 反 向 运 行 的 微 型 电 动 机 三 部 分 组 成 的 机 电 一 体 化 产 品 。 整
28、 机 通 过 对 三大 部 分 的 不 同 组 合 ， 可 获 得 不 同 使 用 性 能 的 产 品 。 整 机 既 可 利 用 齿 轮 减 速箱 获 得 任 意 固 定 转 速 ， 也 可 通 过 电 子 调 速 器 达 到 无 级 调 速 的 目 的 。几种电机的优缺点横向对比如下表 2-1。表 2-1 电机选择的横向对比电机 优点 缺点步进电机 转动角度精确 输出力矩不足，转速升高时下降，转速较高事急剧下降直流减速电机 转动力矩大，体积小，重量轻，装 配件单，使用方便 需要变速齿轮组，可以产生 大扭力舵机 位置伺服驱动器，适用于需要角度 不断变化并可以保持的驱动当中 转动范围一般不能超
29、过 180 度直流电机能够较好的满足系统的要求，控制方便，所以本次设计选择以直流电机作为小车行进驱动电机，通过左右直流电机正反转实现小车的转向。2.2.3 传感器选择2.2.3.1 火焰传感器的选择火焰检测有紫外传感器、烟雾传感器、温度传感器、红外传感器以及光敏电阻传感器。我们对几种常见的火焰传感器进行了横向的对比，具体信息见下表 2-2。表 2-2 火焰传感器的横向对比- 9 -传感器 适用条件 是否采用以及原因紫外传感器应用于火灾消防系统，灵敏度高，反应速度快，抗干扰能力强，对明火特别敏感检测的范围太大，适用于实际生活烟雾传感器 广泛应用于实际生活中的火警检测 比赛中用蜡烛，烟雾不大， 舍
30、去红外传感器非接触式测温，用于测量火焰温度非常方便，经济，实用 适用于比赛用灭火机器人光敏电阻传感器光敏电阻，灵敏度高，反应速度快，适用于高温、湿度大等恶劣环境下自然光对光敏电阻影响较大，此处也不合适经过对比，红外传感器能够较好的满足系统的要求，所以本次设计选择适用于比赛灭火常用的红外传感器，作为灭火机器人的火焰传感器。图 2-6 火焰传感器模块2.2.3.2 避障传感器的选择避障传感器用于感应行走路线上的障碍。以便灭火小车在行走中避开前方的障碍，减少碰撞以及碰撞带来的零部件的损坏，节省寻迹的时间。1.用超声波传感器进行避障。工作原理：超声波由压电陶瓷超声波传感器发出后，遇到障碍物便反射回来，
31、再被超声波传感器接收。然后将这信号放大后送入单片机。优点：超声波传感器在避障的设计中广泛应用，有很大的使用基础以及适用范围。缺点：但超声波传感器需要工作频率要求较高，偏差在 1%内，所以用模拟电路来做方波发生器比较难以实现。并且造价较高。因此考虑其他的方案。2.红外对射式传感器进行避障。工作原理：根据投光器发出的光束，被物体阻断或部分反射，受光器最终据此做出判断反应，是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，当检测到有障碍物的时候，光电对管就能够接收到物体反射的红外光，对所有能反射光线的物体均能检测。优点：光电对管操作简单，使用方便。有光线反射回来时，输出低电- 10 -平。没有光线反射回来时，
32、输出高电平。因为本系统只需要检测简单障碍物，没有十分复杂的环境。为了使用方便，便于操作和调试，所以用大功率红外对射式传感器模块来作为小车的避障传感器，见图 2-7。图 2-7 避障传感器2.2.3.3 寻迹传感器的选择方案 1：用红外发射管和接收管自己制作光电对管寻迹传感器。红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到白色的平面后反射，若红外接收管能接收到反射回的光线则检测出白线继而输出低电平，若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出高电平。这样自己制作组装的寻迹传感器基本能够满足要求，但是工作不够稳定，且容易受外界光线的影响，因此我放弃了这个方案。方案 2：用光敏电阻组成光敏探测器。光敏
33、电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明显的变化。将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。但是这种方案受光照影响很大，不能够稳定的工作。因此我们考虑其他更加稳定的方案。方案 3：用 ST178 型光电对管。ST178 为反射取样式红外线对管作为核心传感器件。它采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成，以非接触检测方式，检测距离可调整范围大，4-10mm 可用。ST178 的示意图和特性曲线如图 2-8、2-9 所示，实物图如图 2-10 当发光二极管发出的光
34、反射回来时，三极管导通输出低电平。此光电对管调理电路简单，工作性能稳定。因此我选择了方案 3。- 11 -图 2-8 ST178 的示意图 图 2-9 ST178 的特性曲线 图 2-10 循迹传感器实物图2.2.4 MCU 的选择近年来，单片机应用技术发展迅速，为智能装置的开发设计带来了很大的便利。但在开发设计中选择合适的 MCU 带来了很大的困难。方案 1：采用可编程逻辑器件 CPLD 作为实验控制器。优点：CPLD 可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、I/O 资源丰富、易于进行功能扩展。采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核
35、心。 10缺点：本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不是非常高。且从使用及经济的角度考虑我放弃了此方案。方案 2：采用凌阳公司的 16 位单片机。优点：凌阳公司的 16 位单片机是 16 位控制器，具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力- 12 -强等特点。处理速度高，尤其适用于语音处理和识别等领域。缺点：当凌阳单片机应用语音处理和辨识时，由于其占用的 CPU 资源较多而使得凌阳单片机同时处理其它任务的速度和能力降低。方案 3：采用 Atmel 公司的 AT89S52 单片机作为实验主控制器。优点：AT89S52 是一个低功耗，高性能
36、的 51 内核的 CMOS 8 位单片机，片内含 8k 空间的可反复擦些 1000 次的 Flash 只读存储器，具有 256bytes 的随机存取数据存储器（RAM） ，32 个 IO 口，2 个 16 位可编程定时计数器 8。且该系列的 51 单片机可以不用烧写器而直接用串口或并口就可以向单片机中下载程序。缺点：对于需要进行避障和火焰传感器的检测以及电机的控制、声音报警的系统进行处理时，AT89S52 在数据处理方面有一些不足。方案 4：采用基于 80C51 内核的增强型 8 位高性能单片机STC12C5A60S2 为控制核心的自动控制系统。国内 STC 公司的 51 增强系列更具有竞争力
37、，因他不但和 80C51 指令、管脚全兼容，而且其片内的具有大容量程序存储器且是 FLASH 工艺的。STC12C5A60S2 单片机内部就自带高达 60K FLASH ROM，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写。而且 STC 系列单片机支持串口程序烧写。显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护了你的劳动成果。STC12 系列比普通 51 速度快 8-12 倍。内部集成 MAX810 专用复位电路， 2 路 PWM，8 路高速 10位 A/D 转换(250K/S)，针对电机控制，强干扰场合。STC12 系列具有
38、丰富的资源，指令周期短，工作速度快，低功耗，低电压可编程处理，在线下载易于调试等优点，完全适于对小车的控制。从方便使用和经济的角度考虑，我选择了方案 4。 控制板见图 2-11。图 2-11 控制板2.2.5 软件总体设计方案对三组传感器进行优先级分类。蔽障传感器优先级最高，其次是火焰传感器，再次是循迹传感器。当出现障碍物时，蔽障传感器反馈信号给单- 13 -片机，单片机根据反馈信号控制小车及时转向绕开障碍物。火焰传感器检测火焰波长，单片机根据火焰波长控制风扇的启停。在没有障碍物及未发现火源的情况下，单片机采集循迹传感器的信号沿黑线前进，最后在终点处停止。2.3 本章小结本章主要针对小车各个部
39、分的材料，部件以及设计总体方案进行了对比选择，并最终确定适合于毕业设计的方案。最终确定的总体方案为：采用两轮驱动的小车底盘，驱动电机是用直流减速电机，上面承载 STC12C5A60S2 单片机、红外传感器进行火焰探测、用红外光电对射式传感器来作为小车的避障传感器、红外光电对管传感器进行寻迹。- 14 -第 3 章 主要单元电路设计实现3.1 电动机 PWM 驱动电路采用内部集成有两个桥式电路的专用芯片 L298 所组成的电机驱动电路。该芯片的主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达 46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达 3A，持续工作电流为 2A；内含两个 H 桥的高电压大电流全桥式驱动器，可
40、以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器、线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。其中四个晶体管分为两组，交替导通和截止。电动机的平均功率满足如下关系：P= =AAT0maxdt1axP其中 P 为电机的平均功率， 为电机全速运转的功率。 A 为脉宽，可见电机的平均功率与脉宽成正比。小车行驶后其平均功率：P=Fv 则 A =Af=fV max式中 V= A所以小车的速度与脉宽成正比。单片机发出脉冲信号的比即可决定 PWM放大器输出的
41、电压平均值的大小。原理图见图 3-1。图 3-1 PWM 驱动电路原理图- 15 -3.2 障碍物检测模块电路直接反射光电对管是一种集发射器和接收器于一体的传感器。当前方出现障碍物时，接收管接收到发光管发射的光线会明显增强，从而产生一定的光电流，通过运算放大电路的放大，可将模块输出端电压调整到 5V 范围内。为了便于使用，将输出端串接 LED 二极管和 1K 电阻，有障碍物出现则 LED 点亮。检测距离：100 毫米，被检测物最小直径：5 毫米，指向角度：小于 5度工作电压：5V 直流。检测距离和滑动变阻器阻值有关，可以用后面旋钮调节检测距离。这种光电开关的输出采用 NPN 型三极管集电极开漏
42、输出模式，也就是说模块的黑线就是三极管的集电极，如果模块检测到信号，三极管就会导通，将黑线下拉到地电平，黑线和棕线之间就会出现电源电压，如果电源是 12V 的那么这个电压就是 12V，如果电源是 24V 这个电压就是 24V，一般三极管的驱动能力约 100 毫安左右，所以可以直接驱动继电器等小功率负载。如果客户希望得到的是一个电压信号，可以在黑线和棕线之间接一个 1K 的电阻，这时模块没有信号时，黑线就是电源电压，模块检测到信号时黑线跳变成电源地（实际是 0.2V，三极管的导通压降）。电路原理图见图 3-2，3-3。图 3-2 ST178 检测电路发射部分图 3-3 ST178 检测电路接收部
43、分- 16 -3.3 火源探测模块电路本设计只选取 tcrt5000 红外对管传感器的接收管部分。电路原理图见图3-4。图 3-4 火源探测模块电路原理图当 tcrt5000 的接收管发现火源时，接收管的电阻会发生变化，在电路上常体现在电压的变化进而经过 LM339 等电路整形后会输出高低电平信号，没有检测到光源为低电平，检测到光源为高电平。单片机采集到高低电平信号，实现对小车灭火的控制。tcrt5000 红外对管本身检测光源距离不大，但经过此改装电路改进后，通过调节电路图中的电 位器，检测范围可达到从 5 厘米左右到 2 米左右。3.4 寻迹模块电路ST 系列集成红外探头价格便宜、体积小、使
44、用方便、性能可靠、用途广泛，所以该系统中最终选择了 ST178 反射传感器作为红外光的发射和接收器，电路原理图见图 3-5、3-6。图 3-5 ST178 检测电路发射部分ST178 采用高发射功率红外光、电二极管和高灵敏光电晶体管组成，采用非接触式检测方式。ST178 的检测距离很小，一般为 815 毫米，因为- 17 -8 毫米以下是它的检测盲区，而大于 15 毫米则很容易受干扰。笔者经过多次测试、比较，发现把传感器安装在距离检测物表面 10 毫米时，检测效果最好。可变电阻 R 可限制接收电路的电流，一方面保护接收红外管；另一方面可调节检测电路的灵敏度。因为传感器输出端得到的是模拟电压信号
45、，所以在输出端增加了比较器，先将 ST178 输出电压与 VCC 进行比较，再送给单片机处理和控制。车体前置 3 组 ST178 传感器，红外对管的方向向下，一字排列。调整传感器之间的间距，使得在某一时刻只有一个传感器位于黑线上。当左边的 ST168 位于黑线上时，单片机控制小车右转弯直到中间的 ST168 位于黑线。当右边的 ST178 位于黑线上时，单片机控制小车左转弯直到中间的 ST168 位于黑线。当中间的 ST168 位于黑线时，单片机控制小车前进。如此，小车便可沿黑线前进，并确保行驶姿态始终向前。图 3-6 ST178 检测电路接收部分3.5 风扇灭火原理及实现在生活中，我们常常看
46、到一些似乎是相互矛盾的常识，比如，我们可以一口气吹灭蜡烛，但是我们也知道一个成语叫“风助火势” ，这是为什么会出现这种情况呢？这是由于燃烧过程中积蓄的热量多少不同造成的。对于烛火来说，燃烧过程平缓，产生和积蓄的热量都较少，有风的时候，风会带走火焰的大部分热量，使可燃物的温度降低到着火点以下，从而破坏燃烧三角。而较大的火势，比如森林大火，由于可燃物很多，燃烧过程剧烈，产生和积蓄了大量热量，大风也不能使可燃物温度降到着火点以下，反而带来更多的助燃物空气（氧气） ，所以使得燃烧过程更加剧烈，火势的扩散也更快。我们可以对用嘴吹气的风速做一个估算。成年男的正常肺活量约是3500 毫升，我们在吹气的时候，
47、嘴唇形成的出气口约是 0.5 平方厘米。那么 3500 毫升（立方厘米）的气体全部通过 0.5 平方厘米的小孔的时候，会形成一个长度为 7000 厘米，也就是 70 米的气柱，一般一口气会在 3 秒左右吹完，所以有计算公式如下：- 18 -吹灭蜡烛的风速 350.*12.3mVs那么每秒的风速大约是 23.33 米，可以对比风力等级表 3-1，风速已经相当于 9 级大风。即使缓慢的呼出（5 秒左右） ，风速也可能远大于室外的5 级大风。表 3-1 风力等级表风级 名称 风速(m/s) 风速(km/h) 陆地地面物象0 无风 0.0-0.2 1 静，烟直上1 软风 0.3-1.5 1-5 烟示风
48、向2 轻风 1.6-3.3 6-11 感觉有风3 微风 3.4-5.4 12-19 旌旗展开4 和风 5.5-7.9 20-28 吹起尘土5 劲风 8.0-10.7 29-38 小树摇摆6 强风 10.8-13.8 39-49 电线有声7 疾风 13.9-17.1 50-61 步行困难8 大风 17.2-20.7 62-74 折毁树枝9 烈风 20.8-24.4 75-88 小损房屋10 狂风 24.5-28.4 89-102 拔起树木根据上文提到的风力大于 5 级的风都可以吹灭蜡烛，所以我选用台式机 CPU 散热器上的风扇，外接继电器电路控制风扇的启停。使用一个 I/O口控制一个电磁继电器从
49、而进行风扇启停的控制。虽然电机的转速已知，但风速的计算十分复杂，根据不同的扇叶有不同的结果，所以我们用风速风向仪对组装好的风扇进行测试，得出风扇电机的瞬时风速和平均风速，所以风速在 5 级左右既符合要求。实物见图 3-7。图 3-7 风扇实物图继电器电路见图 3-8。- 19 -图 3-8 继电器电路本实验选用的马达主要数据：转速：1000-2000 转,轴长：38mm,外径：20mm，重量：24g，电压：3V6V 。3.6 灭火机器人驱动电机的选择直流电机是机器人平台有标准电机，它有着很宽的功率调节范围、适应性强、具有很高的性价比 9。直流电机适用范围很广，很多轮式机器人都采用直流电机，如金工基地的能力风暴机器人。到目前为止，直流电机仍是输出功率最强劲的电机，数十年的研究使得直流电机变得更快、更强、更高效，优质的直流电机效率可过 90%。直流电机可以运行在800020000r/min 之间，甚至更高。因此需要安装齿轮减速器，来降低电机转速，同时也增大了电机转矩，在机器人上可以直接使用减速电机。本实验采用直流电机作为小车的驱动电机，小车由双 H 桥直流电机控制，输出电压 6V。电机实物如图 3-9，尺寸见图 3-10。图 3-9 直流电
